DE19524875B4

DE19524875B4 - Triebwerks-Brennkammer mit dichter Verbindung zwischen Verbund-Gehäuse und Boden

Info

Publication number: DE19524875B4
Application number: DE19524875A
Authority: DE
Inventors: Guy Bonnelie
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2015-07-08
Also published as: US5570573A; FR2722249A1; DE19524875A1; FR2722249B1

Abstract

Triebwerksbrennkammer mit einem Gehäuse (11) aus Verbundmaterial, mindestens einem an einem Ende des Gehäuses befestigten Boden (12) und einer dichten Verbindungsvorrichtung zwischen dem Gehäuse und dem Boden, wobei die Verbindungsvorrichtung glattwandige Bolzen (13) zwischen dem Gehäuse und dem Boden und mindestens einen Dichtring (15) zwischen dem Gehäuse und dem Boden aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mechanischen Verbindungsmittel durch Öffnungen in dem Gehäuse (11) und dem Rand des Bodens (12) geführte glattwandige durchbohrte Bolzen (13) umfassen, um eine Verbindung in Axial- und umlaufender Richtung zu gewährleisten, ohne das Gehäuse und den Boden in Radialrichtung fest miteinander zu verbinden, sowie Vorrichtungen (14) zum Halten der durchbohrten Bolzen in Radialrichtung,
und dadurch, dass der Dichtring (15) zwischen dem Boden (12) und einem ringförmigen Zwischenstück (16) angeordnet ist, das eine in Radialrichtung fest mit dem Boden (12) verbundene Dichtungsauflagefläche bildet, in der Weise, dass die Dichtungsauflagefläche möglichen Verformungen des Bodens in...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer für Triebwerke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Brennkammer ist aus der US-A 4 766 726 bekannt.

Eine gemeinhin bekannte Technik zur Herstellung einer Triebwerksbrennkammer besteht darin, getrennt voneinander ein Gehäuse oder einen Ring, das/der den Körper des Triebwerks bildet, und Böden herzustellen, die an die Enden des Gehäuses gesetzt werden, wobei einer der Böden, und zwar der hintere, einen Durchtritt für die Verbrennungsgase hin zu einer Düse offen lässt. Das Gehäuse wird gewöhnlich aus Verbundmaterial durch Einsatz einer Fadenwicklungstechnik gefertigt, wobei das Gehäuse den in der Brennkammer entstehenden hohen Drücken widerstehen können muss. Die Böden können ebenfalls aus Verbundmaterial, ebenso aber auch aus Metall, beispielsweise Titan, bestehen. Die Verbindung zwischen dem Gehäuse und einem Boden umfasst mechanische Verbindungsvorrichtungen, die den in der Kammer entstehenden Drücken zu widerstehen geeignet sind, und mindestens einen Dichtring, der jegliche Gaszirkulation zwischen dem Gehäuse und dem Boden verhindert.

Eine bekannte dichte Verbindungsvorrichtung zwischen dem Gehäuse und dem hinteren Boden einer Triebwerksbrennkammer ist schematisch in 1 gezeigt. Das Gehäuse 1 aus Verbundmaterial und der hintere Boden 2 aus Metall sind mittels Schrauben 3 miteinander verbunden. Der Boden 2 weist einen Randbereich in Form eines Kranzes 2a auf, der in das Gehäuse eingeführt ist und in den die Schrauben 3, welche durch das Gehäuse führen, geschraubt sind. Die Schrauben 3 sind in einer oder mehreren umlaufenden Reihe/n angeordnet. Ein Runddichtring 5 wird zwischen dem Bereich 2a des Bodens und einer Auflagefläche eines Dichtrings 6 zusammengedrückt, die von einer Metallbeschichtung, die Teile der Innenfläche des Gehäuses 1 bedeckt, gebildet wird. Das Gehäuse 1 und der Boden 2 sind mit inneren Wärmeschutzbeschichtungen 7 bzw. 8 versehen. Der Wärmeschutz 7 ist aus Gummi und auf die Innenflächen des Gehäuses und der Dichtungsauflagefläche geklebt.

Diese bekannte Lösung hat mehrere Nachteile. Die Schrauben 3 in der dem Dichtring 5 am nächsten gelegenen umlaufenden Reihe müssen sehr fest angezogen werden, damit dieser selbst im Falle einer Verformung des Bodens, beispielsweise unter dem Einfluss hoher Innendrücke in der Kammer, ausreichend zusammengedrückt wird. Außerdem arbeiten die Schrauben unter Einwirkung von Scher-, Durchbiegungs- und seitlichen Dichtstemmkräften. Die Innendrücke in der Kammer äußern sich in großen Axialkräften auf den Boden, also in starken querwirkenden Kräften auf die Gewinde der Schrauben. Auf Schraubengewinde auf einer Querachse wirkende Dichtstemmkräfte sollten aber vermieden werden; dies läuft sogar der Luftfahrtnorm MIL STD 1515A der USA zuwider.

In dem Dokument US 4 766 726 wird die Ausführung einer Brennkammer eines Festtreibstoff-Triebwerks in zwei Teilen – einem vorde ren und einem hinteren Teil – beschrieben, die mit einem ringförmigen Verbindungsstück zusammengefügt werden. Die Verbindung zwischen dem Verbindungsstück und jeweils den Gehäusen des vorderen bzw. des hinteren Teils der Kammer wird mittels glattwandiger Radialbolzen und Keilen hergestellt, die durch Verschraubung Scherkräfte auf die Bolzen ausüben. Auf diese Weise sorgen die Bolzen für eine nicht nur axiale, sondern auch radiale Blockierung, um einen zwischen jedes Gehäuse und das Verbindungsstück gesetzten Runddichtring in zusammengedrücktem Zustand zu halten. Die Verbindungselemente sind somit keine Schrauben, sondern glatte, scherbeanspruchte Bolzen. Ein Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass die auf die Bolzen ausgeübte Scherkraft sehr hoch sein muss, um jegliche Radialverschiebung der zusammengefügten Teile untereinander zu vermeiden, die durch Lockerung der Kompression der Dichtung, insbesondere im Falle dimensionaler Schwankungen durch thermische Ursachen, einen Dichteverlust bewirken könnte. Eine der des Patents US 4 766 726 vergleichbare Lösung wird in der Publikation "Aviation Week and Space Technology", 9. Februar 1987, NEW YORK US, S. 119-123 – DORHEIM "Thiokol begins fulldiameter tests of redesigned SRB field joint" beschrieben.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Verbindungsvorrichtung zu liefern, die eine zufrieden stellende mechanische Verbindung und Dichtheit gewährleistet, ohne die vorgenannten Nachteile aufzuweisen.

Dieses Ziel wird erfindungskonform dadurch erreicht, dass die mechanischen Verbindungsvorrichtungen zwischen dem Gehäuse und dem Boden glattwandige Bolzen aufweisen, die durch Öffnungen in dem Gehäuse und dem Boden hindurchgeführt sind, um eine Verbindung in axialer und umlaufender Richtung herzustellen, ohne das Gehäuse und den Boden in Radialrichtung fest miteinander zu verbinden, sowie Vorrichtungen zum Festhalten der durchbohrten Bolzen in Radialrichtung, wobei ein Dichtring zwischen dem Boden und einem ringförmigen Zwischenstück zusammengedrückt wird, das eine Dichtungsauflagefläche bildet, die in Radialrichtung fest mit dem Boden verbunden ist.

Auf diese Weise werden die Axialkräfte zwischen dem Boden und dem Gehäuse durch durchbohrte glattwandige Bolzen und nicht durch Schrauben übertragen. Die Bolzen müssen keinerlei Verbindungsfunktion in Radialrichtung zwischen dem Gehäuse und dem Boden erfüllen; folglich müssen sie beim Zusammendrücken keiner Scherspannung ausgesetzt werden. Die radiale Haltung der Bolzen kann mittels Schrauben erfolgen, welche von außerhalb des Gehäuses mit Spiel durch die Bolzen geführt und in den Boden geschraubt werden. Das Spiel zwischen den Schrauben und den Bolzen bewirkt, dass die Schraubengewinde keinen seitlich wirkenden Dichtstemmkräften ausgesetzt sind. Außerdem wird durch die Verwendung von Schrauben als Haltevorrichtungen für die Bolzen ein Aus- und Wiedereinbau erleichtert. Es können auch andere Haltevorrichtungen für die Bolzen in Radialrichtung verwendet werden, beispielsweise eine Zwinge, welche das Gehäuse in Höhe der Stellen, an denen die Bolzen sitzen, umschließt. Die Zwinge kann abnehmbar oder nicht abnehmbar sein. Sie wird beispielsweise durch Überwicklung des Gehäuses hergestellt.

Ein weiteres Merkmal der dichten Verbindungsvorrichtung ist es, dass die Dichtungsauflagefläche und der Boden, zwischen denen der Dichtring zusammengedrückt wird, in Radialrichtung fest miteinander verbunden sind. Auf diese Weise folgt die Dichtungsauflagefläche möglichen Radialverformungen des Bodens, so dass die Kompression der Dichtung und somit die Dichtwirkung davon nicht betroffen sind.

Die Radialverbindung zwischen der Dichtungsauflagefläche und dem Boden kann mit Hilfe eines hervorspringenden Bereichs oder Vorsprungs erreicht werden, der Teil der Dichtungsauflagefläche ist und in einen entsprechenden ringförmigen Aufnahmeraum des Bodens geführt wird.

Günstigenfalls, aber nicht zwingend bestehen die Dichtungsauflagefläche und der Boden aus dem gleichen Material, beispielsweise einem Material aus Metall wie Titan.

Das Gehäuse weist innen einen Wärmeschutz auf. Dieser haftet vorteilhafterweise sowohl an der Innenwand des Gehäuses als auch an der Dichtungsauflagefläche, so dass zwischen der Dichtungsauflagefläche und dem Gehäuse eine Dichtheit gewährleistet ist.

Auch der Boden verfügt über einen Innenschutz. Dieser verbindet sich mit dem Innenschutz des Gehäuses, indem er vorzugsweise ein Ablenkblech bildet, um den Gasen, die zwischen die beiden Wärmeschutzschichten bis zum Dichtring gelangen, eine gewundene Bahn zu geben.

Die Erfindung wird besser verständlich durch Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, die beispielhaft und nicht erschöpfend ist und Bezug nimmt auf die beiliegenden Zeichnungen.
Die bereits beschriebene 1 ist eine Teilschnittansicht, welche die Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem hinteren Boden einer Brennkammer des Stands der Technik zeigt,
2 ist eine Teilschnittansicht, welche die Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem hinteren Boden einer Brennkammer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
3 ist eine Teilschnittansicht, die eine Ausführungsvariante der in 2 gezeigten Verbindung zeigt.
Obwohl nachfolgend nur eine dichte Verbindung zwischen einem Gehäuse oder einem Ring einer Brennkammer und einem hinteren Boden ins Auge gefasst wird, kann selbstverständlich auch eine vergleichbare dichte Verbindung zwischen dem Gehäuse und einem vorderen Boden vorgesehen werden.
Die schematisch in 2 dargestellte Brennkammer umfasst einen Ring bzw. ein Gehäuse 11, welche den Körper des Triebwerks bildet und die eigentliche Kammer 10 umgibt. Das Gehäuse 11 besteht aus Verbundmaterial, das im Wickelverfahren hergestellt wurde. Diese Technik, die darin besteht, einen Faden zu wickeln, der mit anschließend polymerisiertem Harz imprägniert ist, ist weithin bekannt.
Das Gehäuse 11 ist hinten durch einen Boden 12 aus beispielsweise Titan geschlossen. Der Boden 12 umfasst einen axialen Durchgang für die Verbrennungsgase, einen kuppelförmigen Mittelteil und an seinem Umfang einen oder mehrere Kränze 12a, 12b. Die Kränze 12a, 12b weisen einen identischen Außendurchmesser auf, der im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des hinteren Teils des Gehäuses 11 ist, in welche der Boden 12 eingesetzt wird. Der hintere Teil 11a des Gehäuses 11 bildet jenseits des Bodens 12 eine ringförmige Umrandung.
Die mechanische Axial- und Umfangsverbindung zwischen dem Gehäuse und dem Boden 12 erfolgt durch zylindrische, glattwandige Bolzen 13. Jeder Bolzen führt im Wesentlichen radial durch ein durchgehendes Loch in dem Gehäuse 11 und ein am Umfang des Bodens 12 befindliches Sackloch. Es sind eine oder mehrere umlaufende Reihen von Bolzen 13 vorgesehen, wobei jede Reihe in Höhe eines der Kränze 12a, 12b des Bodens 12 angeordnet ist. Die Anzahl Bolzenreihen 13 wird abhängig von den im Wesentlichen axial auf die mechanische Verbindung wirkenden Kräften gewählt. Die Bolzen 13 werden in ihren Lagern mittels Schrauben 14 gehalten, welche durch die Bolzen führen und in den Boden 12 geschraubt werden. Die Schrauben 14 sind von außen zugänglich, wodurch der Boden 12 problemlos ein-, aus- und wiedereingebaut werden kann. Die Bolzen 13 stören Radialverschiebungen von Gehäuse und Boden zueinander nicht.
Die Dichtheit zwischen dem Boden 12 und dem Gehäuse 11 ist durch einen Runddichtring 15 gewährleistet. Der Ring 15 ist in einer ringförmigen Rille 12c gelagert, die im vorderen Bereich des Bodens 12 vorgesehen ist, und liegt an die Innenseite einer Dichtungsauflagefläche 16 an. Diese besteht aus einem zwischen den Boden 12 und dem Gehäuse 11 gesetzten ringförmigen Stück, das vorzugsweise aus dem gleichen Material besteht wie der Boden 12, d. h. im betrachteten Beispiel aus Titan.
An der Hinterseite ist die Auflagefläche 16 durch einen ringförmigen Ansatz oder Vorsprung 16a verlängert, der integrierender Bestandteil der Dichtungsauflagefläche ist und in einen entsprechenden Aufnahmeraum 12d reicht, der im hinteren Teil des Bodens 12 vorgesehen ist. Auf diese Weise ist die Dichtungsauflagefläche 16 radial fest mit dem Boden 12 verbunden, wodurch die Dichtung 15 selbst im Falle radialer Verformungen des Bodens 12 durch den in der Brennkammer 10 herrschenden Druck in komprimiertem Zustand gehalten wird. Der Boden 12 und die Dichtungsauflagefläche 16 bestehen aus Materialien, die einen im Wesentlichen identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, beispielsweise aus dem gleichen Material, was den besonderen Vorteil bietet, dass jegliche differentiellen dimensionalen Schwankungen durch Wärmeeinfluss vermieden werden. Die Dichtungsauflagefläche 16 wird axial fest mit dem Gehäuse 11 verbunden gehalten. In dem dargestellten Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass an der Außenfläche der Dichtungsauflagefläche 16 eine ringförmige Rille 16b gebildet wird, in welcher eine Innenrippe des Rohrteils 11 entsprechender Form liegt. In der Praxis kann die ringförmige Konstruktion über die Dichtungsauflagefläche 16 gewickelt sein.
Die Innenseiten des Gehäuses 11 und des Bodens 12 sind in an sich bekannter Weise mit Wärmeschutzbeschichtungen 17 bzw. 18 versehen. Der Wärmeschutz aus Gummi 17 bedeckt auch den vorderen Bereich der Innenfläche der Dichtungsauflagefläche 16. In ebenso bekannter Weise erfolgt das Anbringen des Wärmeschutzes 17 an dem Gehäuse 11 und an der Dichtungsauflagefläche 16 durch Kleben oder beim Vulkanisieren des Gummis. In gleicher Weise haftet der Wärmeschutz 18 an der Innenfläche des Bodens 12.
Die Haftung zwischen dem Wärmeschutz 17 und der Dichtungsauflagefläche 16 gewährleistet die Dichtheit zwischen der Dichtungsauflagefläche 16 und dem Gehäuse 11. Im Übrigen bilden die angrenzenden Enden der Wärmeschutzschichten 17 und 18 ein Ablenkblech 19, das den in der Kammer 10 zu dem Dichtring 15 hin entwickelten Verbrennungsgasen zwangsläufig eine gewundene Bahn gibt, wodurch letzterer gegen eine zu direkte Einwirkung der Gase geschützt wird.
3 zeigt eine Ausführungsvariante der in 2 dargestellten Verbindung. Nur die radialen Haltevorrichtungen der Bolzen 13 sind anders. Statt Schrauben wird eine Zwinge 20 verwendet, die einen Teil des Gehäuses 11 zumindest in dem Bereich umschließt, in dem sich die Bolzen 13 befinden. Die Zwinge 20 ist beispielsweise durch Wickeln um das Gehäuse nach dem Anbringen der Bolzen hergestellt. Diese Überwicklung kann auf die gleiche Weise erfolgen wie die Fadenwicklung, welche die Verbundkonstruktion 11 bildet, in welchem Fall die Zwinge 20 nicht abnehmbar ist. Als Variante kann die Zwinge 20 auch durch Wicklung eines Fadens oder Bandes oder durch Gurtverfahren mit mechanischen Blockierungsvorrichtungen ausgeführt sein, welche den Aus- und Wiedereinbau der Zwinge zulassen.

Claims

Triebwerksbrennkammer mit einem Gehäuse (11) aus Verbundmaterial, mindestens einem an einem Ende des Gehäuses befestigten Boden (12) und einer dichten Verbindungsvorrichtung zwischen dem Gehäuse und dem Boden, wobei die Verbindungsvorrichtung glattwandige Bolzen (13) zwischen dem Gehäuse und dem Boden und mindestens einen Dichtring (15) zwischen dem Gehäuse und dem Boden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Verbindungsmittel durch Öffnungen in dem Gehäuse (11) und dem Rand des Bodens (12) geführte glattwandige durchbohrte Bolzen (13) umfassen, um eine Verbindung in Axial- und umlaufender Richtung zu gewährleisten, ohne das Gehäuse und den Boden in Radialrichtung fest miteinander zu verbinden, sowie Vorrichtungen (14) zum Halten der durchbohrten Bolzen in Radialrichtung, und dadurch, dass der Dichtring (15) zwischen dem Boden (12) und einem ringförmigen Zwischenstück (16) angeordnet ist, das eine in Radialrichtung fest mit dem Boden (12) verbundene Dichtungsauflagefläche bildet, in der Weise, dass die Dichtungsauflagefläche möglichen Verformungen des Bodens in Radialrichtung folgen kann und die Dichtung in komprimiertem Zustand hält.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsauflagefläche (16) in Axialrichtung fest mit dem Gehäuse (11) verbunden ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen inneren Wärmeschutz (17) aufweist, der zugleich an dem Gehäuse (11) und an der Dichtungsauflagefläche (16) haftet.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsauflagefläche (16) einen ringförmigen hervorspringenden Bereich oder Vorsprung (16a) aufweist, der in einen entsprechenden ringförmigen Aufnahmeraum (12d) des Bodens (12) reicht und die Dichtungsauflagefläche (16) und den Boden (12) auf diese Weise in Radialrichtung fest miteinander verbindet.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtungen der Bolzen (13) in Radialrichtung aus Schrauben (14) bestehen, die mit Spiel durch die Bolzen (13) geführt und im Boden (12) verschraubt sind.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtungen der Bolzen (13) in Radialrichtung aus einer Zwinge (20) bestehen, welche das Gehäuse (11) zumindest in Höhe der Stellen umschließt, an denen sich die Bolzen befinden.
Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwinge (20) durch Oberwicklung des Gehäuses (11) hergestellt ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen inneren Wärmeschutz (17) des Gehäuses (11), der an diesem und an der Dichtungsauflagefläche (16) haftet, sowie einen inneren Wärmeschutz (18) des Bodens (12), und dadurch, dass sich die angrenzenden Enden des Wärmeschutzes des Gehäuses und des Wärmeschutzes des Bodens verbinden und dabei ein Ablenkblech (19) zwischen dem Innenraum der Kammer (10) und dem Dichtring (15) bilden.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsauflagefläche (16) und der Boden (12) im Wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.